专利名称：有支座沉降时基于混合监测的识别松弛的支承索的方法
技术领域：
在有支座沉降时，本发明基于混合等量的监测来识别索支承结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统(指所有支承索)中的需调整索力的支承索，并给出具体的索长调整量，属工程结构安全领域。
背景技术：
索系统通常是索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的关键组成部分，由于松弛等原因，新结构竣工一段时间后支承索的索力通常会发生变化，结构长期服役后其支承索的松弛也会引起支承索索力的变化，这些变化都将引起结构内力的变化，对结构的安全造成不良影响，严重时将会引起结构的失效，因此准确及时地识别需调整索力的支承索是非常必要的。
支承索系统的健康状态发生变化(例如发生松弛、损伤等)后，除了会引起索力的变化外，还会引起结构的其它可测量参数的变化，例如会引起索力的变化，会影响索结构的变形或应变，会影响索结构的形状或空间坐标，会引起过索结构的每一点的任意假想直线的角度坐标的变化(例如结构表面任意一点的切平面中的任意一根过该点的直线的角度坐标的变化，或者结构表面任意一点的法线的角度坐标的变化)，所有的这些变化都包含了索系统的健康状态信息，因此可以通过对这些不同类型的结构的特征参量的变化的混合监测来判断结构的健康状态，本发明将所有被监测的结构特征参量统称为“被监测量”，由于此时被监测量是由结构的不同类型的可测量参数混合组成，本发明称此为混合监测，被监测量除了受索系统健康状态的影响外，还会受索结构支座沉降(常常会发生)的影响，目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。因此可以基于被监测量监测来识别需调整索力的索，这样在有支座沉降时，就必须有一个能够合理有效的建立被监测量同所有索的特征参数间(具体根据索的特征参数来表征需调整索力的索)的关系的方法，基于该方法建立的需调整索力的支承索的识别结果才会更可信。
发明内容
技术问题本发明的目的是在索结构支座有沉降时，针对索结构中索系统中的、需调整索力的支承索的识别问题，公开了一种基于对多类参量的混合监测的、能够合理有效地识别需调整索力的支承索的结构健康监测方法。
技术方案依据支承索的索力变化的原因，可将支承索的索力变化分为三种情况一是支承索受到了损伤，例如支承索出现了局部裂纹和锈蚀等等；二是支承索并无损伤，但索力也发生了变化，出现这种变化的主要原因之一是支承索自由状态(此时索张力也称索力为0)下的索长度(称为自由长度，本发明专指支承索两支承端点间的那段索的自由长度)发生了变化；三是支承索并无损伤，但索结构支座有了位移(其中在重力方向的分量就被称为沉降)，也会引起结构内力的变化，当然也就会引起索力的变化。本发明的主要目的之一就是在有支座位移时，要识别出自由长度发生了变化的支承索，并识别出它们的自由长度的改变量，此改变量为该索的索力调整提供了直接依据。支承索自由长度发生变化的原因不是单一的，为了方便，本发明将自由长度发生变化的支承索统称为松弛索。
本发明由两大部分组成。分别是一、建立用于识别索系统中的、需调整索力的支承索的健康监测系统所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)、基于实测索结构支座坐标的、基于被监测量等量的监测的、识别索结构的需调整索力的支承索的方法。二、健康监测系统的软件和硬件部分。
本发明的第一部分建立用于识别索系统中的、需调整索力的支承索的健康监测系统所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)、基于实测索结构支座坐标的、基于被监测量等量的监测的、识别索结构的需调整索力的支承索的方法。可按如下方法进行，以获得更准确的索系统的健康状态评估。
第一步首先建立索系统初始虚拟损伤向量do(因为支承索实际上可能是松弛而没有损伤，为表示区别，这里称“虚拟损伤”，后同)、建立索结构的初始力学计算基准模型Ao(例如有限元基准模型，在本发明中Ao是不变的)。
设索系统中共有N根索，索系统“初始虚拟损伤向量记为do”(如式(1)所示)，用do表示索结构(用索结构的初始力学计算基准模型Ao表示)的索系统的健康状态。
do＝[do1 do2…doj…doN]T (1) 式(1)中doj(j＝1，2，3，.......，N)表示Ao中的索系统的第j根索的初始虚拟损伤值，doj为0时表示第j根索无损伤无松弛，为100％时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100％之间时表示第j根索丧失相应比例的承载能力。式(1)中T表示向量的转置(后同)。
建立索系统初始虚拟损伤向量(依据式(1)记为do)时，利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立索系统初始虚拟损伤向量do。如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，或者可以认为结构初始状态为无损伤无松弛状态时，向量do的各元素数值取0。
建立索结构的初始力学计算基准模型Ao(例如有限元基准模型)和当前力学计算基准模型Ato(例如有限元基准模型)的方法。在本发明中Ao是不变的。Ato是不断更新的。建立Ao和Ato的方法如下 根据索结构竣工之时的索结构的设计图、竣工图和实测数据(包括索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据、索结构形状数据、结构角度数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索结构模态数据等实测数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)，利用力学方法(例如有限元法)建立Ao；如果没有索结构竣工之时的结构的实测数据，那么就在建立健康监测系统前对结构进行实测，得到索结构的实测数据(包括索结构形状数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索结构模态数据等实测数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据、索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据)，根据此数据和索结构的设计图、竣工图，利用力学方法(例如有限元法)建立Ao。不论用何种方法获得Ao，基于Ao计算得到的索结构计算数据(对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)必须非常接近其实测数据，误差一般不得大于5％。这样可保证利用Ao计算所得的模拟情况下的应变计算数据、索力计算数据、索结构形状计算数据和位移计算数据、索结构角度数据等，可靠地接近所模拟情况真实发生时的实测数据。对应于Ao的索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量Uo。Ao和Uo是不变的。
被监测的多类参量可以包括索力、应变、角度和空间坐标，分别叙述如下 设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化。每次共有M1个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息。M1是一个不小于0的整数。
结构的被监测的应变数据可由结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化。每次共有M2(M2＝K2×L2)个应变测量值或计算值来表征结构应变。M2是一个不小于0的整数。
结构的被监测的角度数据由结构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、所有指定直线的、所有指定的角度坐标分量的变化。每次共有M3(M3＝K3×L3×H3)个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息。M3是一个不小于0的整数。
结构的被监测的形状数据由结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化。每次共有M4(M4＝K4×L4)个坐标测量值或计算值来表征结构形状。M4是一个不小于0的整数。
综合上述被监测量，整个结构共有M(M＝M1+M2+M3+M4)个被监测量，定义参量K(K＝M1+K2+K3+K4)，K和M不得小于索的数量N。由于M个被监测量是不同类型的，所以本发明称为“基于混合监测来识别需调整索力的支承索的方法”。
为方便起见，在本发明中将“结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”。
本发明中用被监测量初始向量Co表示索结构的所有被监测量的初始值组成的向量(见式(1))。要求在获得Ao的同时获得Co。因在前述条件下，基于索结构的计算基准模型计算所得的被监测量可靠地接近于初始被监测量的实测数据，在后面的叙述中，将用同一符号来表示该计算值和实测值。
Co＝[Co1 Co2…Coj…CoM]T (1) 式(1)中Coj(j＝1，2，3，.......，M；M≥N)是索结构中第j个被监测量的初始量，该分量依据编号规则对应于特定的第j个被监测量。T表示向量的转置(后同)。
本发明中用被监测量当前数值向量C是由索结构中所有被监测量的当前值组成的向量(定义见式(2))。
C＝[C1 C2…Cj…CM]T(2) 式(2)中Cj(j＝1，2，3，.......，M；M≥N)是索结构中第j个被监测量的当前值，该分量Cj依据编号规则与Coj对应于同一“被监测量”。
第二步建立索结构的当前力学计算基准模型Ato(例如有限元基准模型，在健康监测系统运行过程中Ato是不断更新的)和当前索结构实测支座坐标向量Ut。在索结构服役过程中，不断实测获得索结构支座坐标当前数据(所有数据组成当前索结构实测支座坐标向量Ut，向量Ut的定义方式与向量Uo相同)。为方便起见，将上一次更新当前力学计算基准模型时的索结构支座坐标当前数据记为当前索结构支座坐标向量Uto。建立和更新Ato的方法是在健康监测系统第一次开始工作的时刻，索结构的当前力学计算基准模型Ato就等于Ao。在索结构服役过程中，不断实测获得索结构支座坐标数据得到当前索结构实测支座坐标向量Ut，如果Ut等于Uto，则不需要对Ato进行更新；如果Ut不等于Uto，则需要对Ato进行更新，此时Ut与Uo的差就是索结构支座关于初始位置(对应于Ao)的支座位移(用支座位移向量V表示支座位移，在重力方向的位移就是支座沉降)。更新Ato的方法是对Ao中的索结构支座施加当前支座位移约束，当前支座位移约束的数值就取自当前支座位移向量V中对应元素的数值，对Ao中的索结构支座施加当前支座位移约束后，最终得到的就是更新的当前力学计算基准模型Ato，更新Ato后，Uto所有元素数值用Ut所有元素数值代替，即更新了Uto，这样就得到了正确地对应于Ato的Uto。
第三步建立“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”和“名义虚拟单位损伤向量Du”，ΔC和Du是不断更新的，即在更新当前力学计算基准模型Ato的同时，更新虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du。
建立和更新更新虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du的过程如下 在索结构的当前力学计算基准模型Ato的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于所有索的数量。每一次计算假设索系统中只有一根索在原有虚拟损伤(原有虚拟损伤可以为0，也可以不为0)的基础上再增加虚拟单位损伤(例如取5％、10％、20％或30％等损伤为虚拟单位损伤)。为方便计算，设定虚拟单位损伤时可以都是把结构健康状态当成是完全健康的，并在此基础上设定虚拟单位损伤(在后续步骤中、计算出的、索的损伤数值---称为名义虚拟损伤dc，都是相对于将索的健康状态当成是完全健康而言的，因此必须依据后文给出的公式将计算出的名义虚拟损伤换算成真实虚拟损伤)。每一次计算中出现虚拟损伤的索不同于其它次计算中出现的虚拟损伤的索，并且每一次假定有虚拟损伤的索的虚拟单位损伤值可以不同于其他索的虚拟单位损伤值，用“名义虚拟单位损伤向量Du”(如式(3)所示)记录所有索的假定的虚拟单位损伤，记为Du，每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的、在前面已指定的M个被监测量的当前计算值，每一次计算所得M个被监测量的当前计算值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”(当假设第j根索有单位损伤时，可用式(4)表示所有指定的M个被监测量的计算当前数值向量Ctj)；每一次计算得到的被监测量的计算当前数值向量减去被监测量的初始数值向量Co，所得向量就是此条件下(以有虚拟单位损伤的索的位置或编号等为标记)的“被监测量的数值变化向量”(当第j根索有虚拟单位损伤时，用δCj表示被监测量的数值变化向量，δCj的定义见式(5)、式(6)和式(7)，式(5)为式(4)减去式(2)后再除以向量Du的第j个元素Duj所得)，被监测量的数值变化向量δCj的每一元素表示由于计算时假定有虚拟单位损伤的那根索(例如第j根索)的虚拟单位损伤(例如Duj)，而引起的该元素所对应的被监测量的数值改变量相对于假定的虚拟单位损伤Duj的变化率；有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”，每个被监测量的数值变化向量有M(一般的，M≥N)个元素，由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有M×N个元素的“单位损伤被监测量变化矩阵ΔC”(M行N列)，每一个向量δCj(j＝1，2，3，.......，N)是矩阵ΔC的一列，ΔC的定义如式(8)所示。
Du＝[Dy1 Du2…Duj…DuN]T (3) 式(3)中名义虚拟单位损伤向量Du的元素Duj(j＝1，2，3，.......，N)表示假定的第j根索的虚拟单位损伤数值，向量Du中的各元素的数值可以相同也可以不同。
Ctj＝[Ctk1 Ctk2…Ctjk…CtjM]T (4) 式(4)中元素Ctjk(j＝1，2，3，.......，N；k＝1，2，3，.......，M；M≥N)表示第j根索有虚拟单位损伤时，依据编号规则所对应的第k个指定的被监测量的计算当前数值。
式(5)中下标j(j＝1，2，3，.......，N)表示第j根索有虚拟单位损伤，式中Duj是向量Du中的第j个元素。向量δCj的定义如式(6)所示，δCj的第k(k＝1，2，3，.......，M；M≥N)个元素δCjk表示建立矩阵ΔC时，假定第j根索有虚拟单位损伤时计算所得第k个被监测量的改变量相对于假定的虚拟单位损伤Duj的变化率，其定义如式(7)所示。
δCj＝[δCj1 δCj2…δCjk…δCjM]T(6) 式(7)中各量的定义已在前面叙述过。
ΔC＝[δC1 δC2…δCj…δCN] (8) 式(8)中向量δCj(j＝1，2，3，.......，N)表示由于第j根索有虚拟单位损伤Duj而引起的、所有被监测量的相对数值变化。矩阵ΔC的列(下标j)的编号规则与前面向量do的元素的下标j的编号规则相同。
在索结构服役过程中，不断实测获得索结构支座坐标当前数据，一旦监测到Ut不等于Uto，则需要回到第二步对Ato进行更新，对Ato进行更新后再进入本步对ΔC进行更新。实际上ΔC是不断更新的，即在更新当前力学计算基准模型Ato之后，更新虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC。
第四步识别索系统的当前健康状态。具体过程如下。
索系统“被监测量的当前(计算或实测)数值向量C”同“被监测量的初始数值向量Co”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”和“当前名义虚拟损伤向量dc”间的近似线性关系，如式(9)或式(10)所示。
C＝Co+ΔC·dc (9) C-Co＝ΔC·dc (10) 式(9)和式(10)中被监测量的当前(计算或实测)数值向量C的定义类似于被监测量的初始数值向量Co的定义，见式(11)；索系统“当前名义虚拟损伤向量dc”的定义见式(12)。
C＝[C1 C2…Ck…CM]T(11) 式(11)中元素Ck(k＝1，2，3，.......，M；M≥N)是索结构的、依据编号规则所对应的编号为k的被监测量的当前数值。
dc＝[dc1 dc2…dcj…dcN]T (12) 式(12)中dcj(j＝1，2，3，.......，N)是索系统第j根索的当前名义虚拟损伤值，向量dc的元素的下标j的编号规则与矩阵ΔC的列的编号规则相同。
当索实际损伤不太大时，由于索结构材料仍然处在线弹性阶段，索结构的变形也较小，式(9)或式(10)所表示的这样一种线性关系同实际情况的误差较小，误差可用误差向量e(式(13))定义，表示式(9)或式(10)所示线性关系的误差。
e＝abs(ΔC·dc-C+Co) (13) 式(13)中abs()是取绝对值函数，对括号内求得的向量的每一个元素取绝对值。
由于式(9)或式(10)所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式(9)或式(10)和“被监测量的当前(实测)数值向量C”来直接求解得到“当前名义虚拟损伤向量dc”。如果这样做了，得到的向量dc中的元素甚至会出现较大的负值，也就是负损伤，这明显是不合理的。因此获得向量dc的可接受的解(即带有合理误差，但可以比较准确地确定虚拟受损索的位置及其虚拟损伤程度)成为一个合理的解决方法，可用式(14)来表达这一方法。
abs(ΔC·dc-C+Co)≤g (14) 式(14)中abs()是取绝对值函数，向量g描述偏离理想线性关系(式(9)或式(10))的合理偏差，由式(15)定义。
g＝[g1 g2…gk…gM]T(15) 式(15)中gk(k＝1，2，3，.......，M)描述了偏离式(9)或式(10)所示的理想线性关系的最大允许偏差。向量g可根据式(13)定义的误差向量e试算选定。
在“被监测量的初始数值向量Co”(实测或计算得到)、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”(计算得到)和“被监测量的当前数值向量C”(实测得到)已知时，可以利用合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(14)，获得“当前名义虚拟损伤向量dc”的可接受的解，然后“当前实际虚拟损伤向量d”(定义见式(16))的元素可以根据式(17)计算得到，也就是得到了“当前实际虚拟损伤向量d”，从而可由d确定虚拟受损索的位置和虚拟损伤程度，然后根据下面将叙述的方法确定松弛索的位置和松弛程度，也就是确定了需调整索力的索及其索长调整量。
d＝[d1 d2…dj…dN]T (16) 式(16)中dj(j＝1，2，3，.......，N)表示第j根索的实际虚拟损伤值，其定义见式(17)，dj为0时表示第j根索无损伤无松弛，为100％时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100％之间时表示第j根索丧失相应比例的承载能力，向量d的元素的编号规则与式(1)中向量do的元素的编号规则相同。
dj＝1-(1-doj)(1-dcj) (17) 式(17)中doj(j＝1，2，3，.......，N)是向量do的第j个元素，dcj是向量dc的第j个元素。
下面叙述得到了索当前实际虚拟损伤向量d后，如何确定松弛索的位置和松弛程度。
设索系统中共有N根支承索，结构索力数据由N根支承索的索力来描述。可用“初始索力向量Fo”表示索结构中所有支承索的初始索力(定义见式(18))。因为基于索结构的计算基准模型计算所得的初始索力可靠地接近于初始索力的实测数据，在后面的叙述中，将用同一符号来表示该计算值和实测值。
Fo＝[Fo1 Fo2…Foj…FoN]T(18) 式(18)中Fo(j＝1，2，3，.......，N)是索结构中第j根支承索的初始索力，该元素依据编号规则对应于指定支承索的索力。向量Fo是常量。在建立索结构的初始力学计算基准模型Ao时使用了向量Fo。
本发明中用“当前索力向量F”表示实测得到的索结构中所有支承索的当前索力(定义见式(19))。
F＝[F1 F2…Fj…FN]T (19) 式(19)中Fj(j＝1，2，3，.......，N)是索结构中第j根支承索的当前索力。
本发明中，在支承索初始状态(无损伤、无松弛)下，且支承索处于自由状态(自由状态指索力为0，后同)时，支承索的长度称为初始自由长度，用“初始自由长度向量lo”表示索结构中所有支承索的初始自由长度(定义见式(20))。
lo＝[lo1 lo2…loj…loN]T(20) 式(20)中loj(j＝1，2，3，.......，N)是索结构中第j根支承索的初始自由长度。向量lo是常量，在开始时确定后，就不再变化。
本发明中，用“当前自由长度向量l”表示索结构中所有支承索的当前自由长度(定义见式(21))。
l＝[l1 l2…lj…lN]T (21) 式(21)中lj(j＝1，2，3，.......，N)是索结构中第j根支承索的当前自由长度。
本发明中，用“自由长度改变向量Δl”(或称支承索当前松弛程度向量)表示索结构中所有支承索的自由长度的改变量(定义见式(22)和式(23))。
Δl＝[Δl1 Δl2…Δlj…ΔlN]T (22) 式(22)中Δlj(j＝1，2，3，.......，N)是当前索结构中第j根支承索的自由长度的改变量，其定义见式(23)，Δlj不为0的索为松弛索，Δlj的数值为索的松弛量，并表示索系统第j根支承索的当前松弛程度，也是调整索力时该索的索长调整量。
Δlj＝lj-loj (23) 在本发明中通过将松弛索同受损索进行力学等效来进行松弛索的松弛程度识别，等效的力学条件是 一、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性参数及材料的力学特性参数相同； 二、松弛或损伤后，两等效的松弛索和损伤索的索力和变形后的总长相同。
满足上述两个等效条件时，这样的两根支承索在结构中的力学功能就是完全相同的，即如果用等效的受损索代替松弛索后，索结构不会发生任何变化，反之亦然。
本发明中，同第j个支承索(其当前松弛程度用Δlj定义)进行等效的虚拟受损的支承索的当前实际虚拟损伤程度用dj表示(dj的定义见式(16)和式(17))。松弛的第j个支承索的当前松弛程度Δlj(Δlj的定义见式(22))同等效的受损索的当前实际虚拟损伤程度dj之间的关系由前述两项力学等效条件确定。Δlj同dj之间的具体关系可以采用多种方法实现，例如可以直接根据前述等效条件确定(参见式(24))，也可采用基于Ernst等效弹性模量代替式(24)中的E进行修正后确定(参见式(25))，也可以采用基于有限元法的试算法等其它方法来确定。
式(24)和式(25)中E是该支承索的弹性模量，A是该支承索的横截面面积，Fj是该支承索的当前索力，dj是该支承索的当前实际虚拟损伤程度，ω是该支承索的单位长度的重量，ljx是该支承索的两个支承端点的水平距离。式(25)中[]内的项是该支承索的Ernst等效弹性模量，由式(24)或式(25)可以就可以确定支承索当前松弛程度向量Δl。式(25)是对式(24)的修正。
本发明的第二部分健康监测系统的软件和硬件部分。硬件部分包括监测系统(监测被监测量、监测索结构支座坐标、监测索力、监测支承索两支承端点的水平距离)、信号采集器和计算机等。要求实时或准实时监测每一个被监测量、监测每一个支承索的索力、监测每一个支承索两支承端点的水平距离。软件应当具用下列功能软件部分应当能够完成本发明的第一部分所设定的过程，即完成本发明中所需要的、可以用计算机实现的监测、记录、控制、存储、计算、通知、报警等功能。
本发明方法具体包括 a.设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵； b.确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化；每次共有M1个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息；M1是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点，结构的被监测的应变数据可由结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化；每次共有M2个应变测量值或计算值来表征结构应变，M2为K2和L2之积；M2是不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测角度的被测量点，结构的被监测的角度数据由结构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、所有指定直线的、所有指定的角度坐标分量的变化；每次共有M3个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，M3为K3、L3和H3之积；M3是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测的形状数据，结构的被监测的形状数据由结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有M4个坐标测量值或计算值来表征结构形状，M4为K4和L4之积；M4是一个不小于0的整数；综合上述混合监测的被监测量，整个结构共有M个被监测量，M为M1、M2、M3和M4之和，定义参量K，K为M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的数量N；由于M个被监测量是不同类型的，所以本发明称为“有支座沉降时的基于混合监测的索系统的健康监测方法”；为方便起见，在本发明中将本步所列出的“混合监测时结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”； c.利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立初始虚拟损伤向量do。如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，向量d1o的各元素数值取0。
d.在建立初始虚拟损伤向量do的同时，直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量的初始数值向量Co； e.在建立初始虚拟损伤向量do和被监测量的初始数值向量Co的同时，直接测量计算得到所有支承索的初始索力，组成初始索力向量Fo；同时，依据结构设计数据、竣工数据得到所有支承索的初始自由长度，组成初始自由长度向量lo；同时，依据结构设计数据、竣工数据或实测得到索结构的初始几何数据；同时，实测或根据结构设计、竣工资料得到所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积； f.建立索结构的初始力学计算基准模型Ao，建立初始索结构支座坐标向量Uo，建立索结构当前力学计算基准模型Ato；依据索结构竣工之时的索结构的实测数据，该实测数据包括索结构形状数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索结构模态数据、所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积等实测数据，索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据，依据设计图和竣工图，利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型Ao；如果没有索结构竣工之时的结构的实测数据，那么就在建立健康监测系统前对该索结构进行实测，同样得到索结构的实测数据，根据此数据和索结构的设计图、竣工图，同样利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型Ao；不论用何种方法获得Ao，基于Ao计算得到的索结构计算数据必须非常接近其实测数据，其间的差异不得大于5％；对应于Ao的索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量Uo；Ao和Uo是不变的；为叙述方便，命名“索结构当前力学计算基准模型Ato”，在结构服役过程中Ato根据需要会不断更新，开始时，Ato等于Ao；同样为叙述方便，命名“索结构实测支座坐标向量Ut”，在结构服役过程中，不断实测获得索结构支座坐标当前数据，所有索结构支座坐标当前数据组成“当前索结构实测支座坐标向量Ut”，向量Ut的元素与向量Uo相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐标；为叙述方便起见，将上一次更新Ato时的索结构支座坐标当前数据记为当前索结构支座坐标向量Uto；开始时，Ato等于Ao，Uto等于Uo；Ao对应的索的健康状态由do描述； g.健康监测系统开始工作时，令Ato等于Ao；在结构服役过程中不断实测获得索结构支座坐标当前数据，所有索结构支座坐标当前数据组成当前索结构实测支座坐标向量Ut，根据当前索结构实测支座坐标向量Ut，在必要时更新索结构当前力学计算基准模型Ato和当前索结构支座坐标向量Uto； h.在索结构当前力学计算基准模型Ato的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du； i.实测得到索结构的所有支承索的当前索力，组成当前索力向量F；同时，实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成“被监测量的当前数值向量C”。实测计算得到所有支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离。给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本步及本步之前和之后出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息； j.定义待求的当前名义虚拟损伤向量dc和当前实际虚拟损伤向量d。损伤向量do、dc和d的元素个数等于索的数量，损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，损伤向量的元素数值代表对应索的虚拟损伤程度或健康状态； k.依据“被监测量的当前数值向量C”同“被监测量的初始数值向量Co”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”和“当前名义虚拟损伤向量dc”间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除dc外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前名义虚拟损伤向量dc； C＝Co+ΔC·dc 式1 l.利用式2表达的当前实际虚拟损伤向量d的元素dj同初始虚拟损伤向量do的元素doj和当前名义虚拟损伤向量dc的元素dcj间的关系，计算得到当前实际虚拟损伤向量d的所有元素。
dj＝1-(1-doj)(1-dcj) 式2 式2中j＝1，2，3，……，N。
由于当前实际虚拟损伤向量d的元素数值代表对应索的当前实际虚拟损伤程度，即实际松弛程度或实际损伤程度，当前实际虚拟损伤向量d中数值不为0的元素对应的支承索就是有问题的支承索，有问题的支承索可能是松弛索、也可能是受损索，其数值反应了松弛或损伤的程度； m.从第l步中识别出的有问题的支承索中鉴别出受损索，剩下的就是松弛索。
n.利用在第l步获得的当前实际虚拟损伤向量d得到松弛索的当前实际虚拟损伤程度，利用在第i步获得的当前索力向量F，利用在第i步获得的所有支承索的两个支承端点的空间坐标，利用在第e步获得的初始自由长度向量lo，利用在第e步获得的所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积数据，通过将松弛索同受损索进行力学等效来计算松弛索的、与当前实际虚拟损伤程度等效的松弛程度，等效的力学条件是一、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性参数、密度及材料的力学特性参数相同；二、松弛或损伤后，两等效的松弛索和损伤索的索力和变形后的总长相同。满足上述两个等效条件时，这样的两根支承索在结构中的力学功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受损索后，索结构不会发生任何变化，反之亦然。依据前述力学等效条件求得那些被判定为松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由长度的改变量，也就是确定了那些需调整索力的支承索的索长调整量。这样就实现了支承索的松弛识别和损伤识别。计算时所需索力由当前索力向量F对应元素给出。
在步骤g中，根据当前索结构实测支座坐标向量Ut，在必要时更新索结构当前力学计算基准模型Ato和当前索结构支座坐标向量Uto的具体方法为 g1.实测得到当前索结构实测支座坐标向量Ut后，比较Ut和Uto，如果Ut等于Uto，则不需要对Ato进行更新； g2.实测得到当前索结构实测支座坐标向量Ut后，比较Ut和Uto，如果Ut不等于Uto，则需要对Ato进行更新，更新方法是先计算Ut与Uo的差，Ut与Uo的差就是当前索结构支座关于在建立Ao时的索结构支座的当前支座位移，用当前支座位移向量V表示支座位移，当前支座位移向量V中的元素与支座位移分量之间是一一对应关系，当前支座位移向量V中一个元素的数值对应于一个指定支座的一个指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降量；更新Ato的方法是对Ao中的索结构支座施加当前支座位移约束，当前支座位移约束的数值就取自当前支座位移向量V中对应元素的数值，对Ao中的索结构支座施加当前支座位移约束后，最终得到的就是更新的当前力学计算基准模型Ato，更新Ato的同时，Uto所有元素数值也用Ut所有元素数值代替，即更新了Uto，这样就得到了正确地对应于Ato的Uto。
在步骤h中，在索结构当前力学计算基准模型Ato的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du的具体方法为 h1.健康监测系统第一次开始工作时，直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du；以后，如果步骤g中对Ato进行了更新，直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du，如果在步骤g中没有对Ato进行更新，则在此处直接转入步骤i进行后续工作； h2.在索结构当前力学计算基准模型Ato的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索在原有虚拟损伤的基础上再增加虚拟单位损伤，每一次计算中出现虚拟单位损伤的索不同于其它次计算中出现虚拟单位损伤的索，并且每一次假定有虚拟单位损伤的索的虚拟单位损伤值可以不同于其他索的虚拟单位损伤值，用“名义虚拟单位损伤向量Du”记录所有索的假定的单位损伤，每一次计算得到所有被监测量的当前数值，每一次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”。当假设第j根索有单位损伤时，可用Ctj表示对应的“被监测量的当前计算数值向量Ctj”。在本步骤中给各向量的元素编号时，应同本发明中其它向量使用同一编号规则，这样可以保证本步骤中各向量中的任意一个元素，同其它向量中的、编号相同的元素，表达了同一被监测量或同一对象的相关信息； h3.每一次计算得到的那个“被监测量的当前计算数值向量Ctj”减去“被监测量的初始数值向量Co”得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以本次计算中假定的虚拟单位损伤值后得到一个“被监测量的数值变化向量”；有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”； h4.由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有N列的“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”；“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”；“虚拟单位损伤被监测量变化矩阵”的列的编号规则与当前名义虚拟损伤向量dc和当前实际虚拟损伤向量d的元素编号规则相同。
有益效果本发明公开的系统和方法在索结构支座出现沉降的情况下、在有较多的索同步受损或松弛的条件下可以非常准确地监测评估出索系统的健康状态(包括所有松弛索和受损索的位置、及其松弛程度或损伤程度)。本发明公开的系统和方法对索系统的有效健康监测是非常有益的。
具体实施例方式 在有支座沉降时，针对索结构的索系统的健康监测，本发明公开了一种能够合理有效地监测索结构的索系统的每一根索的健康状况的系统和方法。本发明的实施例的下面说明实质上仅仅是示例性的，并且目的绝不在于限制本发明的应用或使用。
在索结构支座出现沉降的情况下，本发明采用一种算法，该算法用于监测索结构中的索系统的健康状态(包括索的松弛程度和受损程度)。具体实施时，下列步骤是可采取的各种步骤中的一种。
第一步确定被监测量的类型、位置和数量，并编号。具体过程为 设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。
确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化。每次共有M1个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息。M1是一个不小于0的整数。实际选定被监测索力的索时，可以选择那些索力易于测量的索为被监测索。
确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点，结构的被监测的应变数据可由结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化。每次共有M2个应变测量值或计算值来表征结构应变，M2为K2和L2之积。M2是一个不小于0的整数。每一个将被监测应变的被测量点可以就是每一根索的固定端点(例如是斜拉桥的拉索在桥梁上的固定端)附近的一个点，该点一般不应当是应力集中点，以避免出现过大的应变测量值，这些点一般也不应当全部是混合监测时指定的被监测索力的索的固定端点或在其附近。
确定混合监测时指定的将被监测角度的被测量点，结构的被监测的角度数据由结构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、所有指定直线的、所有指定的角度坐标分量的变化。每次共有M3个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，M3为K3、L3和H3之积。M3是一个不小于0的整数。每一个指定点可以就是每一根索的固定端点(例如是斜拉桥的拉索在桥面上的固定端)或其附近的一个点，被监测角度数据的点一般不应该全部选择为“混合监测中指定的被监测索力的索的固定端点或在其附近的点”和“混合监测中指定的被监测应变的点或在其附近的点”；在每一指定点可以仅仅测量一个指定直线的一个角度坐标，例如测量过指定点的结构表面法线或切线相对于重力加速度方向的角度坐标，这里实际上就是倾角测量。
确定混合监测时指定的将被监测的形状数据，结构的被监测的形状数据由结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化。每次共有M4个坐标测量值或计算值来表征结构形状，M4为K4和L4之积。M4是一个不小于0的整数。每一个指定点可以就是每一根索的固定端点(例如是斜拉桥的拉索在桥梁上的固定端)；这里选定的被监测点不应该全部选用“混合监测中指定的被监测索力的索的固定端点或在其附近的点”、“混合监测中指定的被监测应变的点或在其附近的点”和“混合监测中指定的被监测角度数据的点或在其附近的点”。
综合上述被监测量，整个结构就混合监测而言共有M个被监测量，M为M1、M2、M3和M4之和，定义参量K，K为M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的数量N。由于M个被监测量是不同类型的，所以本发明称为“基于混合监测来识别需调整索力的支承索的方法”。为方便起见，在本发明中将本步所列出的“混合监测时结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”。
第二步利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立初始虚拟损伤向量do。如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，或者可以认为结构初始状态为无损伤、无松弛状态时，向量do的各元素数值取0。
第三步在建立初始虚拟损伤向量do的同时，直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成“被监测量的初始数值向量Co”；同时，直接测量计算得到索结构的所有支承索的初始索力，组成“初始索力向量Fo；同时，依据结构设计数据、竣工数据得到所有索的初始自由长度，组成“支承索初始自由长度向量lo”；同时，实测或根据结构设计、竣工资料得到所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积。
第四步在建立初始虚拟损伤向量d1o的同时，可以采用成熟的测量方法进行索力测量、应变测量、角度测量和空间坐标测量。直接测量或测量后计算得到索结构初始几何形状数据(对于斜拉桥就是其初始桥型数据)，索结构的初始几何形状数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上结构上一系列的点的空间坐标数据，目的在于根据这些坐标数据确定索结构的几何特征。对斜拉桥而言，初始几何形状数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上桥梁两端上若干点的空间坐标数据，这就是所谓的桥型数据。
建立索结构的初始力学计算基准模型Ao，建立初始索结构支座坐标向量Uo，建立索结构当前力学计算基准模型Ato；依据索结构竣工之时的索结构的实测数据，该实测数据包括索结构形状数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索结构模态数据、所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积等实测数据，索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据，依据设计图和竣工图，利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型Ao；如果没有索结构竣工之时的结构的实测数据，那么就在建立健康监测系统前对该索结构进行实测，同样得到索结构的实测数据，根据此数据和索结构的设计图、竣工图，同样利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型Ao；不论用何种方法获得Ao，基于Ao计算得到的索结构计算数据必须非常接近其实测数据，其间的差异不得大于5％；对应于Ao的索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量Uo；Ao和Uo是不变的；为叙述方便，命名“索结构当前力学计算基准模型Ato”，在结构服役过程中Ato根据需要会不断更新，开始时，Ato等于Ao；同样为叙述方便，命名“索结构实测支座坐标向量Ut”，在结构服役过程中，不断实测获得索结构支座坐标当前数据，所有索结构支座坐标当前数据组成“当前索结构实测支座坐标向量Ut”，向量Ut的元素与向量Uo相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐标；为叙述方便起见，将上一次更新Ato时的索结构支座坐标当前数据记为当前索结构支座坐标向量Uto；开始时，Ato等于Ao，Uto等于Uo；Ao对应的索的健康状态由do描述； 第五步安装索结构健康监测系统的硬件部分。硬件部分至少包括被监测量监测系统(例如含角度测量分系统、索力测量分系统、应变测量分系统、空间坐标测量分系统、信号调理器等)、索力监测系统(例如含加速度传感器、信号调理器等)、各支承索两支承端点的水平距离监测系统(例如用全站仪进行测量)、信号(数据)采集器、计算机和通信报警设备。每一个被监测量、每一个支承索的索力和每一根支承索两支承端点的水平距离都必须被监测系统监测到，监测系统将监测到的信号传输到信号(数据)采集器；信号经信号采集器传递到计算机；计算机则负责运行索结构的索系统的健康监测软件，包括记录信号采集器传递来的信号；当监测到索有松弛或损伤时，计算机控制通信报警设备向监控人员、业主和(或)指定的人员报警。
第六步编制并在监控计算机上安装运行索结构的索系统健康监测系统软件。该软件将完成本发明“有支座沉降时基于混合监测的识别松弛的支承索的方法”任务所需要的监测、记录、控制、存储、计算、通知、报警等功能(即本具体实施方法中所有可以用计算机完成的工作)，并能定期或由人员操作健康监测系统生成索系统健康情况报表，还能依据设定的条件(例如损伤达到某一值)，自动通知或提示监控人员通知特定的技术人员完成必要的计算工作。
第七步健康监测系统开始工作时，令Ato等于Ao；在结构服役过程中不断实测(例如用全站仪进行测量)获得索结构支座坐标当前数据，所有索结构支座坐标当前数据组成当前索结构实测支座坐标向量Ut，根据当前索结构实测支座坐标向量Ut，在必要时更新索结构当前力学计算基准模型Ato和当前索结构支座坐标向量Uto。具体方法是实测得到当前索结构实测支座坐标向量Ut后，比较Ut和Uto，如果Ut等于Uto，则不需要对Ato进行更新；实测得到当前索结构实测支座坐标向量Ut后，比较Ut和Uto，如果Ut不等于Uto，则需要对Ato进行更新。更新Ato的方法是先计算Ut与Uo的差，Ut与Uo的差就是当前索结构支座关于在建立Ao时的索结构支座的当前支座位移，用当前支座位移向量V表示支座位移，当前支座位移向量V中的元素与支座位移分量之间是一一对应关系，当前支座位移向量V中一个元素的数值对应于一个指定支座的一个指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降量；更新Ato的方法是对Ao中的索结构支座施加当前支座位移约束，当前支座位移约束的数值就取自当前支座位移向量V中对应元素的数值，对Ao中的索结构支座施加当前支座位移约束后，最终得到的就是更新的当前力学计算基准模型Ato，更新Ato的同时，Uto所有元素数值也用Ut所有元素数值代替，即更新了Uto，这样就得到了正确地对应于Ato的Uto。
第八步在索结构当前力学计算基准模型Ato的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du。具体方法如下 a.健康监测系统第一次开始工作时，直接按步骤b至步骤d所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du；以后，如果第七步中对Ato进行了更新，直接按步骤b至步骤d所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du，如果在第七步中没有对Ato进行更新，则在此处直接转入第九步进行后续工作； b.在索结构当前力学计算基准模型Ato的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索在原有虚拟损伤的基础上再增加虚拟单位损伤，每一次计算中出现虚拟单位损伤的索不同于其它次计算中出现虚拟单位损伤的索，并且每一次假定有虚拟单位损伤的索的虚拟单位损伤值可以不同于其他索的虚拟单位损伤值，用“名义虚拟单位损伤向量Du”记录所有索的假定的单位损伤，每一次计算得到所有被监测量的当前数值，每一次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”。当假设第j根索有单位损伤时，可用Ctj表示对应的“被监测量的当前计算数值向量Ctj”。在本步骤中给各向量的元素编号时，应同本发明中其它向量使用同一编号规则，这样可以保证本步骤中各向量中的任意一个元素，同其它向量中的、编号相同的元素，表达了同一被监测量或同一对象的相关信息； c.每一次计算得到的那个“被监测量的当前计算数值向量Ctj”减去“被监测量的初始数值向量Co”得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以本次计算中假定的虚拟单位损伤值后得到一个“被监测量的数值变化向量”；有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”； d.由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有N列的“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”；“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”；“虚拟单位损伤被监测量变化矩阵”的列的编号规则与当前名义虚拟损伤向量dc和当前实际虚拟损伤向量d的元素编号规则相同。
在本步骤中及其后给各向量的元素编号时，应同本发明中其它向量使用同一编号规则，这样可以保证本步骤中各向量中的任意一个元素，同其它向量中的、编号相同的元素，表达了同一被监测量或同一对象的相关信息。
第九步建立线性关系误差向量e和向量g。利用前面的数据(“被监测量的初始数值向量Co”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”)，在第八步进行每一次计算的同时，即在每一次计算中假设索系统中只有一根索在原有虚拟损伤的基础上再增加虚拟单位损伤的同时，每一次计算组成一个“虚拟损伤向量dt”，虚拟损伤向量dt的元素个数等于索的数量，虚拟损伤向量dt的所有元素中只有一个元素的数值取每一次计算中假设增加虚拟单位损伤的索的虚拟单位损伤值，dt的其它元素的数值取0，那个不为0的元素的编号与假定增加虚拟单位损伤的索的对应关系、同其他向量的同编号的元素同该索的对应关系是相同的；将Ctj、Co、ΔC、dt带入式(13)(需注意的，式(13)中C用Ctj带入，dc用dt带入)，得到一个线性关系误差向量e，每一次计算得到一个线性关系误差向量e；有N根索就有N次计算，就有N个线性关系误差向量e，将这N个线性关系误差向量e相加后得到一个向量，将此向量的每一个元素除以N后得到的新向量就是最终的线性关系误差向量e。向量g等于最终的误差向量e。将向量g保存在运行健康监测系统软件的计算机硬盘上，供健康监测系统软件使用。
将“初始索力向量Fo”、“被监测量的初始数值向量Co”、“名义虚拟单位损伤向量Du”、“初始自由长度向量lo”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”和所有索的弹性模量、初始横截面面积、索的单位长度重量等参数以数据文件的方式保存在运行健康监测系统软件的计算机硬盘上。
第十步实测得到索结构的所有支承索的当前索力，组成当前索力向量F；同时，实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成“被监测量的当前数值向量C”。实测计算得到所有支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离。
第十一步依据“被监测量的当前(计算或实测)数值向量C”同“被监测量的初始数值向量Co”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”和“当前名义虚拟损伤向量dc”间存在的近似线性关系(见式(9))，按照多目标优化算法计算索系统当前名义虚拟损伤向量dc的非劣解。
可以采用的多目标优化算法有很多种，例如基于遗传算法的多目标优化、基于人工神经网络的多目标优化、基于粒子群的多目标优化算法、基于蚁群算法的多目标优化、约束法(Constran Method)、加权法(Weghted Sum Method)、目标规划法(Goal Attanment Method)等等。由于各种多目标优化算法都是常规算法，可以方便地实现，本实施步骤仅以目标规划法为例给出求解当前名义虚拟损伤向量dc的过程，其它算法的具体实现过程可根据其具体算法的要求以类似的方式实现。
按照目标规划法，式(9)可以转化成式(29)和式(30)所示的多目标优化问题，式(29)中γ是一个实数，R是实数域，空间区域Ω限制了向量dc的每一个元素的取值范围(本实施例要求向量dc的每一个元素不小于0，不大于1)。式(29)的意思是寻找一个绝对值最小的实数γ，使得式(30)得到满足。式(30)中G(dc)由式(31)定义，式(30)中加权向量W与γ的积表示式(30)中G(dc)与向量g之间允许的偏差，g的定义参见式(15)，其值将在第八步计算得到。实际计算时向量W可以与向量g相同。目标规划法的具体编程实现已经有通用程序可以直接采用。按照目标规划法就可以求得当前名义损伤向量dc。
minimize γ γ∈R，dc∈Ω (29) G(dc)-Wγ≤g (30) G(dc)＝abs(ΔC·dc-C+Co) (31) 求得当前名义虚拟损伤向量dc后，可依据式(17)得到的当前实际虚拟损伤向量d每一个元素，当前实际虚拟损伤向量d就是带有合理误差、但可以比较准确地从所有索中确定有问题的索(即虚拟受损索，可能是受损也可能是松弛)的位置及其虚拟损伤程度的解。若解得的当前实际虚拟损伤向量d的某一元素的数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤或松弛的；若其数值为100％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于0和100％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力。
第十二步由于当前实际虚拟损伤向量d的元素数值代表对应索的虚拟损伤程度，所以根据当前实际虚拟损伤向量就能确定有哪些索可能受损或松弛了及其可能的损伤程度或松弛程度，但这些索究竟是发生了损伤还是发生了松弛，需进行鉴别。鉴别的方法多种多样，可以通过去除支承索的保护层，对支承索进行目视鉴别，或者借助光学成像设备进行目视鉴别，也可以通过无损检测方法对支承索是否受损进行鉴别，超声波探伤就是一种目前广泛使用的无损检测方法。鉴别后那些没有发现损伤且虚拟损伤程度不为0的支承索就是发生了松弛的索，就是需调整索力的索，依据式(24)或式(25)可以求得这些索的松弛程度(即索长调整量)。这样就实现了包含了损伤识别和松弛识别的索结构的索系统的健康监测。
权利要求
1.一种有支座沉降时基于混合监测的识别松弛的支承索的方法，其特征在于所述方法包括
a.设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；
b.确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化；每次共有M1个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息；M1是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点，结构的被监测的应变数据可由结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化；每次共有M2个应变测量值或计算值来表征结构应变，M2为K2和L2之积；M2是不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测角度的被测量点，结构的被监测的角度数据由结构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、所有指定直线的、所有指定的角度坐标分量的变化；每次共有M3个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，M3为K3、L3和H3之积；M3是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测的形状数据，结构的被监测的形状数据由结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有M4个坐标测量值或计算值来表征结构形状，M4为K4和L4之积；M4是一个不小于0的整数；综合上述混合监测的被监测量，整个结构共有M个被监测量，M为M1、M2、M3和M4之和，定义参量K，K为M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的数量N；由于M个被监测量是不同类型的，所以本发明称为“有支座沉降时的基于混合监测的索系统的健康监测方法”；为方便起见，在本发明中将本步所列出的“混合监测时结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”；
c.利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立初始虚拟损伤向量do；如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，向量d1o的各元素数值取0。
d.在建立初始虚拟损伤向量do的同时，直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量的初始数值向量Co；
e.在建立初始虚拟损伤向量do和被监测量的初始数值向量Co的同时，直接测量计算得到所有支承索的初始索力，组成初始索力向量Fo；同时，依据结构设计数据、竣工数据得到所有支承索的初始自由长度，组成初始自由长度向量lo；同时，依据结构设计数据、竣工数据或实测得到索结构的初始几何数据；同时，实测或根据结构设计、竣工资料得到所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积；
f.建立索结构的初始力学计算基准模型Ao，建立初始索结构支座坐标向量Uo，建立索结构当前力学计算基准模型Ato；依据索结构竣工之时的索结构的实测数据，该实测数据包括索结构形状数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索结构模态数据、所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积等实测数据，以及索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据，依据设计图和竣工图，利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型Ao；如果没有索结构竣工之时的结构的实测数据，那么就在建立健康监测系统前对该索结构进行实测，同样得到索结构的实测数据，根据此数据和索结构的设计图、竣工图，同样利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型Ao；不论用何种方法获得Ao，基于Ao计算得到的索结构计算数据必须非常接近其实测数据，其间的差异不得大于5％；对应于Ao的索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量Uo；Ao和Uo是不变的；为叙述方便，命名“索结构当前力学计算基准模型Ato”，在结构服役过程中Ato根据需要会不断更新，开始时，Ato等于Ao；同样为叙述方便，命名“索结构实测支座坐标向量Ut”，在结构服役过程中，不断实测获得索结构支座坐标当前数据，所有索结构支座坐标当前数据组成“当前索结构实测支座坐标向量Ut”，向量Ut的元素与向量Uo相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐标；为叙述方便起见，将上一次更新Ato时的索结构支座坐标当前数据记为当前索结构支座坐标向量Uto；开始时，Ato等于Ao，Uto等于Uo；Ao对应的索的健康状态由do描述；
g.健康监测系统开始工作时，令Ato等于Ao；在结构服役过程中不断实测获得索结构支座坐标当前数据，所有索结构支座坐标当前数据组成当前索结构实测支座坐标向量Ut，根据当前索结构实测支座坐标向量Ut，在必要时更新索结构当前力学计算基准模型Ato和当前索结构支座坐标向量Uto；
h.在索结构当前力学计算基准模型Ato的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du；
i.实测得到索结构的所有支承索的当前索力，组成当前索力向量F；同时，实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成“被监测量的当前数值向量C”。实测计算得到所有支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离。给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本步及本步之前和之后出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息；
j.定义待求的当前名义虚拟损伤向量dc和当前实际虚拟损伤向量d。损伤向量do、dc和d的元素个数等于索的数量，损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，损伤向量的元素数值代表对应索的虚拟损伤程度或健康状态；
k.依据“被监测量的当前数值向量C”同“被监测量的初始数值向量Co”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”和“当前名义虚拟损伤向量dc”间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除dc外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前名义虚拟损伤向量dc；
C＝Co+ΔC·dc式1
l.利用式2表达的当前实际虚拟损伤向量d的元素di同初始虚拟损伤向量do的元素doj和当前名义虚拟损伤向量dc的元素dcj间的关系，计算得到当前实际虚拟损伤向量d的所有元素。
dj＝1-(1-doj)(1-dcj)式2
式2中j＝1，2，3，……，N；
由于当前实际虚拟损伤向量d的元素数值代表对应索的当前实际虚拟损伤程度，即实际松弛程度或实际损伤程度，当前实际虚拟损伤向量d中数值不为0的元素对应的支承索就是有问题的支承索，有问题的支承索可能是松弛索、也可能是受损索，其数值反应了松弛或损伤的程度；
m.从第1步中识别出的有问题的支承索中鉴别出受损索，剩下的就是松弛索；
n.利用在第1步获得的当前实际虚拟损伤向量d得到松弛索的当前实际虚拟损伤程度，利用在第i步获得的当前索力向量F，利用在第i步获得的所有支承索的两个支承端点的空间坐标，利用在第e步获得的初始自由长度向量lo，利用在第e步获得的所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积数据，通过将松弛索同受损索进行力学等效来计算松弛索的、与当前实际虚拟损伤程度等效的松弛程度，等效的力学条件是一、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性参数、密度及材料的力学特性参数相同；二、松弛或损伤后，两等效的松弛索和损伤索的索力和变形后的总长相同。满足上述两个等效条件时，这样的两根支承索在结构中的力学功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受损索后，索结构不会发生任何变化，反之亦然。依据前述力学等效条件求得那些被判定为松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由长度的改变量，也就是确定了那些需调整索力的支承索的索长调整量；这样就实现了支承索的松弛识别和损伤识别。计算时所需索力由当前索力向量F对应元素给出。
2.根据权利要求1所述的有支座沉降时基于混合监测的识别松弛的支承索的方法，其特征在于在步骤g中，根据当前索结构实测支座坐标向量Ut，在必要时更新索结构当前力学计算基准模型Ato和当前索结构支座坐标向量Uto的具体方法为
g1.实测得到当前索结构实测支座坐标向量Ut后，比较Ut和Uto，如果Ut等于Uto，则不需要对Ato进行更新；
g2.实测得到当前索结构实测支座坐标向量Ut后，比较Ut和Uto，如果Ut不等于Uto，则需要对Ato进行更新，更新方法是先计算Ut与Uo的差，Ut与Uo的差就是当前索结构支座关于在建立Ao时的索结构支座的当前支座位移，用当前支座位移向量V表示支座位移，当前支座位移向量V中的元素与支座位移分量之间是一对应关系，当前支座位移向量V中一个元素的数值对应于一个指定支座的一个指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降量；更新Ato的方法是对Ao中的索结构支座施加当前支座位移约束，当前支座位移约束的数值就取自当前支座位移向量V中对应元素的数值，对Ao中的索结构支座施加当前支座位移约束后，最终得到的就是更新的当前力学计算基准模型Ato，更新Ato的同时，Uto所有元素数值也用Ut所有元素数值代替，即更新了Uto，这样就得到了正确地对应于Ato的Uto。
3.根据权利要求1所述的有支座沉降时基于混合监测的识别松弛的支承索的方法，其特征在于在步骤h中，在索结构当前力学计算基准模型Ato的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du的具体方法为
h1.健康监测系统第一次开始工作时，直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du；以后，如果步骤g中对Ato进行了更新，直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵ΔC和名义虚拟单位损伤向量Du，如果在步骤g中没有对Ato进行更新，则在此处直接转入步骤i进行后续工作；
h2.在索结构当前力学计算基准模型Ato的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索在原有虚拟损伤的基础上再增加虚拟单位损伤，每一次计算中出现虚拟单位损伤的索不同于其它次计算中出现虚拟单位损伤的索，并且每一次假定有虚拟单位损伤的索的虚拟单位损伤值可以不同于其他索的虚拟单位损伤值，用“名义虚拟单位损伤向量Du”记录所有索的假定的单位损伤，每一次计算得到所有被监测量的当前数值，每一次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”。当假设第j根索有单位损伤时，可用Ctj表示对应的“被监测量的当前计算数值向量Ctj”；在本步骤中给各向量的元素编号时，应同本发明中其它向量使用同一编号规则，这样可以保证本步骤中各向量中的任意一个元素，同其它向量中的、编号相同的元素，表达了同一被监测量或同一对象的相关信息；
h3.每一次计算得到的那个“被监测量的当前计算数值向量Ctj”减去“被监测量的初始数值向量Co”得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以本次计算中假定的虚拟单位损伤值后得到一个“被监测量的数值变化向量”；有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”；
h4.由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有N列的“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”；“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”；“虚拟单位损伤被监测量变化矩阵”的列的编号规则与当前名义虚拟损伤向量dc和当前实际虚拟损伤向量d的元素编号规则相同。
全文摘要
有支座沉降时基于混合监测的识别松弛的支承索的方法基于对多类参量的混合监测、通过监测结构支座坐标来决定是否需要更新结构的力学计算基准模型，只有当结构支座坐标发生变化时才更新结构的力学计算基准模型，从而得到新的计入结构支座沉降的结构的力学计算基准模型，在此模型的基础上计算获得单位损伤被监测量变化矩阵。依据应变当前向量同应变初始向量、虚拟单位损伤应变变化矩阵和当前虚拟损伤向量间的近似线性关系，计算识别出虚拟受损索，在使用无损检测方法鉴别出真实受损索后，剩下的虚拟受损索就是松弛索即需调整索力的索，依据松弛程度同虚拟损伤程度间的关系就可确定需调整的索长。
文档编号G01M99/00GK101806665SQ20101012781
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者韩玉林 申请人:东南大学